大功率开关电源的设计与实现

李亮劲

摘 要：大功率开关硬开关的过程里，功率元件上有较大的电流电压尖峰和严重的发热问题，开关的损坏较大。为了设计出稳定且结构简单的开关电源，文章对推挽式开关电源以及开关电源的变压器制作法进行了简单的介绍。同时，简析了控制的基本原理，开关电源的控制目标“准、稳、快”是矛盾统一体，所以选择折中利用。文章以500 W推挽式开关电源设计为例，简析了开关电源设计步骤。

关键词：大功率；开关电源；推挽式；脉宽调制

中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0001-03

1 推挽式开关电源工作原理及结构

1.1 500 W推挽式开关电源电路结构

文章是以500 W推挽式开关电源的设计及实现为例，其电路结构图，如图1所示。

1.2 500 W推挽式电源工作原理

通过热敏电阻、滤波电容和整流电路，工频交流电的输入会成为直流电压，再通过推挽式的斩波电路和滤波变成为4A12V和80A5V的直流电输出，见图一 。500 w的开关电源的设计，两个开关元件在推挽式DC中都为大功率场效应管（FET）。电容是400 μF，电阻560欧15 w，二极管BYV2B一起构成了

rcd吸收电路，而芯片CS3842产生的脉宽信号会控制两个场效应管的截止和导通。CS3842芯片输出电压不到1 V，因此对场效应管没有驱动作用，可以适当采用将输出方法的具有适当匝数比变压器，以此驱动FET。

到通电以后，电容100 μF50 v经过变压器的辅助端向CS3842提供软电压，推动该芯片工作。经过了变压器T2将脉宽信号放大，控制FET被导通或者介截止，使之输出电压。T3采集输出的电流，反应到芯片3管脚电流端，经过芯片CS3842的反馈电路，和获得的电流变化，对信号占空比做出调整，以此达到稳定输出的状态。通过采集获得的电压转化成电压，芯片关断电压被电压值超过的时候，芯片便停止工作，FET截止，同时开关电源也停止工作。CS3842是电流控制芯片，它的功能还可以采集输出的电压来调节反馈，通过T4将电压采集到脉冲调制控制电路，通过反馈到芯片2管脚的输入端。如果输出电压变大，可以减小占空比丢失，随之输出电压也减小。如果输出电压减小是，占空比丢失增大，增大输出电压。

2 电路参数设计

2.1 整流电路设计

整流滤波的电路，如图2所示。其原理是若电压U2正处于正半周期且其数值比电容两端电压Uc大的时候，D1D3二极管导通，电流经过电阻RL，对电容C进行充电。U2值达到峰值以后逐渐下降，电容又通过RL放电，其电压也随之下降。如果U2负半周期的变化值刚好比电容两端电压Uc大时，二极管D2D4被导通，U2第二次对电容C充电，当电容两端电压达到U2的峰值时又下降，降到一定值，其二极管截止，C对负载电阻RL放电，当到一定值的时候，二极管D1D3又被导通，通过这样的循环，得到其理想的波形，如图3（a）所示。但实际过程中会受到整流电路内阻的影响，其波形偏向图3（b）所示。放电时间的常数T=CRL，不同的T值的相应Uo的波形，如图4所示。输出电压的平均值，如图5所示。

加滤波电容以后，电容充电的时候才能导通二极管，二极管导通角都会比π小。因为电容滤波输出电流增大，导通角会减小，二极管在极短的时间里会通过一个大冲击电流给电容充电，如图6所示。

选定滤波电容C后，输出电压平均值Uo及电流平均值Io，之间的关系是输出特性，还有其滤波特性是电流均值Io与脉动系数S的关系。电压均值和电流均值关系的输出特性图，如图7所示。

预估电路的输入功率和损耗功率，元件损耗功率基本如下：变压器的功率：20 W；输入功率：625 W；控制芯片等：20 W；二极管：44 W。输入电压整流后，电容以两倍频传递其能量：

电压峰值最小时候为187×-2=262 V，电路中二极管管压下降至2 V，最初电容是200 V，通过Ceq（V2pk-V2min）和和上述式子得出Ceq=364 μF，C=728 μF。

2.2 输出电路设计

推挽式输出电路结构，如图8所示。推挽式电路，如图9所示。

开关S1S2通过交替导通，在绕组两端进行反相位交流电压。当开关S1导通时，VD1二极管处于通态，开关都关闭时候，两个二极管都处于通态，各分担一半电流电感。推挽式电流处于连续模式时候，一个开关周期中会经过四个开关状态。对于500 W开关电源而言，采用125服务WMOSFET BUZ64，其门槛电压是5 A10 V，CS3942输出电流是1 A，不能对FET BUZ64进行驱动。推挽电路和控制电路间融入变比为5的T4变压器，以此达到稳定输出的状态。

2.3 脉冲调制控制电路

芯片CS3842内部有PWM调制、锁存、误差放大器七等模块，如图10所示。

管脚是误差放大器的输出，可以作为回路补偿。管脚是电压/电流反馈端T4变压器输出电压经过电阻反馈，减小占空比，稳定输出电压。管脚为输输出端，其输出电流是1 A，也是脉宽电流，因为BUZ64的基本电流是5 A，在两者间增加变比是5的T2能够驱动，才能正常工作。

2.4 变压器设计

200 Hz的工作频率，其铁损和绕损的升高会不断增大。变压器选用PQ 4040的P材，线圈匝数比：

其中，VIN （min）为能够调节的直流电压。VT是FET满载时的导通电压，Dmax为占空比，VOUT为输出电压，Vf代表二极管正向导通压降。辅助绕组给CS3842芯片体用启动电源，其中两个稳压二极管最大钳位电压27 V，原边电压208 V。

3 结 语

推挽式开关电源体积小、转换效率高、重量轻及控制精度较高等优势，可以替代线性调整电源，在向大中范围推进发展，在一定程度上取代了晶闸管控制整流电源。在芯片CS3842基础桑设计了三路输出的开关电源。PWM控制控制着推挽式电路中的开关管，有反馈电压电流和稳定输出作用，符合预期效果。

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